周凌宇 張廣潮 余志武 趙 磊 魏天宇 楊林旗

(中南大學(xué) 土木工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410075)

高速鐵路CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道是由混凝土底座板、CA砂漿填充層、預(yù)制混凝土軌道板、扣件和鋼軌等部分組成的一種新型軌道結(jié)構(gòu),因其具有較高的平順性、穩(wěn)定性和少維修等優(yōu)點(diǎn)而在京滬、京津和津秦等多條線路上得以廣泛應(yīng)用,鋪設(shè)里程超過(guò)5 000km[1]。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研表明,我國(guó)高速鐵路無(wú)砟軌道運(yùn)營(yíng)線上已經(jīng)出現(xiàn)了底座板、軌道板裂紋以及層間離縫等結(jié)構(gòu)性病害,其中以軌道板與CA砂漿層間離縫最為常見(jiàn)。無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)縱向連續(xù)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),使其對(duì)溫度作用非常敏感,環(huán)境溫度變化和CA砂漿與混凝土的熱行為差異是板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)層間離縫等結(jié)構(gòu)性病害的主要原因[2]。因此,溫度作用對(duì)軌道結(jié)構(gòu)受力性能的影響不可忽視。

目前,國(guó)內(nèi)外關(guān)于軌道結(jié)構(gòu)溫度荷載模式以及溫度荷載作用下軌道結(jié)構(gòu)層間離縫等結(jié)構(gòu)性病害的產(chǎn)生機(jī)理和規(guī)律都有研究。戴公連等[3-4],歐祖敏等[5]通過(guò)對(duì)橋上縱連板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)的現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期觀測(cè),得到了無(wú)砟軌道內(nèi)部溫度場(chǎng)的時(shí)變規(guī)律,并基于統(tǒng)計(jì)擬合,得出了無(wú)砟軌道豎向溫度荷載模式。鐘陽(yáng)龍等[6]基于界面黏聚力模型模擬軌道板與CA砂漿層間黏結(jié)-脫黏-接觸的復(fù)雜相互關(guān)系,建立了CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道層間剪切破壞三維有限元模型,分析了溫度荷載下軌道層間剪切破壞機(jī)理。Zhu等[7]借助黏聚力模型模擬板式無(wú)砟軌道層間黏結(jié),研究了溫度作用與車輛動(dòng)荷載作用下板式軌道層間損傷特性與開(kāi)裂行為。何川[8]借助有限元方法,采用接觸模擬軌道結(jié)構(gòu)層間界面關(guān)系,研究了不同位置和大小的離縫,對(duì)軌道結(jié)構(gòu)受力的影響。

縱觀上述已有的研究成果,關(guān)于循環(huán)溫度荷載作用下無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)離縫的產(chǎn)生規(guī)律及其對(duì)結(jié)構(gòu)受力性能影響方面的試驗(yàn)研究鮮有報(bào)道。為此,本文以高速鐵路32 m 標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)支梁橋上鋪CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道為原型,制作三跨雙線CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道-簡(jiǎn)支梁橋結(jié)構(gòu)體系的1/4縮尺模型,開(kāi)展循環(huán)溫度荷載試驗(yàn)。采用遠(yuǎn)紅外燈管模擬日照對(duì)軌道結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行溫度加載,并基于現(xiàn)代光纖傳感技術(shù),借助傳統(tǒng)應(yīng)變片,LVDT 位移計(jì)和溫度傳感器建立了一套實(shí)時(shí)測(cè)試系統(tǒng),在溫度加載過(guò)程中對(duì)結(jié)構(gòu)溫度、位移和應(yīng)變進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)試。研究了循環(huán)溫度荷載作用下,軌道結(jié)構(gòu)層間離縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展規(guī)律以及離縫對(duì)無(wú)砟軌道-簡(jiǎn)支梁橋結(jié)構(gòu)體系受力性能的影響。為進(jìn)一步提升我國(guó)高速鐵路無(wú)砟軌道-橋梁結(jié)構(gòu)體系建造技術(shù)、建立相應(yīng)的服役狀態(tài)評(píng)估體系提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 模型試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)與制作

1.1.1 原型結(jié)構(gòu)

目前我國(guó)已經(jīng)建成并開(kāi)通運(yùn)營(yíng)的高速鐵路橋梁長(zhǎng)度占總運(yùn)營(yíng)里程的近50%,其中,以32 m 標(biāo)準(zhǔn)跨徑為主的簡(jiǎn)支箱梁橋長(zhǎng)度占橋梁總長(zhǎng)度的95%[9]。據(jù)此,選取某高速鐵路線上3×32 m 標(biāo)準(zhǔn)預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁橋上鋪CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道作為試驗(yàn)原型結(jié)構(gòu)。軌道板寬度為2 550 mm,厚度為200 mm,標(biāo)準(zhǔn)軌道板長(zhǎng)度為6 450 mm。砂漿調(diào)整層設(shè)計(jì)厚度為30 mm,底座板寬度為2 950 mm,厚度為200 mm。

1.1.2 模型結(jié)構(gòu)

以滿足試驗(yàn)精度要求為前提,綜合考慮試驗(yàn)條件的可行性,確定試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂s尺比為1∶4。據(jù)應(yīng)力等效原則對(duì)模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行相似設(shè)計(jì),模型結(jié)構(gòu)形狀與原型保持一致,滿足幾何相似條件,尺寸相似常數(shù)為1/4;模型結(jié)構(gòu)梁體預(yù)應(yīng)力筋布置形式與原型結(jié)構(gòu)相似,二者對(duì)跨中邊緣處混凝土產(chǎn)生的預(yù)壓應(yīng)力相等,應(yīng)力相似常數(shù)為1;模型結(jié)構(gòu)所用材料除部分尺寸規(guī)格不同外均與原型結(jié)構(gòu)相同,因此熱傳遞系數(shù)相似常數(shù)為1。

縮尺后,軌道板寬度為640 mm,厚度為50 mm,長(zhǎng)度為1 600 mm。CA砂漿層原型厚度僅為30 mm,考慮到模型制作及埋設(shè)傳感器的需要,模型結(jié)構(gòu)CA砂漿層厚度方向不進(jìn)行縮尺。底座板寬度為740 mm,厚度50 mm,模型結(jié)構(gòu)斷面見(jiàn)圖1(a),實(shí)際模型結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1(b)。

圖1 模型結(jié)構(gòu)

1.1.3 模型結(jié)構(gòu)施工與制作

制作三跨簡(jiǎn)支梁,每孔橋面上靠近固定支座處預(yù)留剪力齒槽,并鋪設(shè)兩布一?；瑒?dòng)層。梁體和軌道結(jié)構(gòu)澆筑過(guò)程中,支好模板且鋼筋骨架綁扎成型后,在預(yù)定位置埋設(shè)光纖光柵混凝土應(yīng)變傳感器、鋼筋電阻應(yīng)變片以及溫度傳感器。導(dǎo)線編號(hào)后沿鋼筋引出,并采取套管保護(hù)措施。為防止在溫度加載過(guò)程中環(huán)境溫度過(guò)高損壞連接測(cè)試設(shè)備的導(dǎo)線,將所有導(dǎo)線采用耐高溫的熱熔導(dǎo)管包裹,并在導(dǎo)管外覆蓋一層耐高溫的隔熱材料。

為模擬軌道結(jié)構(gòu)無(wú)限長(zhǎng)的邊界條件,制作三跨簡(jiǎn)支梁,鋪設(shè)軌道結(jié)構(gòu)后,取中間跨進(jìn)行試驗(yàn),中跨范圍內(nèi)的軌道-橋梁結(jié)構(gòu)滿足連續(xù)性邊界條件。同時(shí),為了進(jìn)一步約束軌道系統(tǒng),在橋梁兩端各澆筑一個(gè)長(zhǎng)1.2 m 且與橋梁頂面等高等寬的鋼筋混凝土塊,采用錨桿將混凝土塊與地下反力槽固定。軌道結(jié)構(gòu)鋪設(shè)至混凝土塊外邊緣。并將底座板內(nèi)部鋼筋在距離混凝土塊外邊緣100 mm處向下彎制成90°,錨固在混凝土塊中,錨固長(zhǎng)度150 mm。為驗(yàn)證軌道系統(tǒng)的連續(xù)性,試驗(yàn)過(guò)程中,對(duì)端部處軌道結(jié)構(gòu)的應(yīng)變均進(jìn)行了測(cè)試,測(cè)試結(jié)果證明中間跨軌道結(jié)構(gòu)實(shí)際也滿足連續(xù)性邊界條件。

1.2 溫度荷載

1.2.1 溫度荷載取值

本試驗(yàn)結(jié)合實(shí)際條件模擬軌道結(jié)構(gòu)在極端天氣持續(xù)高溫條件下承受的溫度荷載。隨著日氣溫的變化,軌道結(jié)構(gòu)內(nèi)部會(huì)存在整體溫度、線性溫度梯度以及非線性溫度梯度三部分溫度荷載。軌道結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度荷載主要取決于其周圍環(huán)境溫度的變化,根據(jù)已有文獻(xiàn)對(duì)環(huán)境溫度和板面溫度關(guān)系的研究,在日間氣溫達(dá)到40 ℃的高溫條件下,軌道板表面溫度最高接近60℃[10]。因此,試驗(yàn)溫度加載過(guò)程中,控制軌道板板面最高溫度為60℃,由于現(xiàn)有試驗(yàn)設(shè)備難以對(duì)結(jié)構(gòu)施加低于室溫的低溫荷載,因此,試驗(yàn)在冬季夜間進(jìn)行,利用較低的室溫(8 ℃)考慮低溫荷載。

1.2.2 溫度加載方法

借助遠(yuǎn)紅外加熱燈管結(jié)合溫控開(kāi)關(guān)及溫度傳感器設(shè)計(jì)了一套能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)軌道結(jié)構(gòu)升溫和控溫的溫度加載設(shè)備,加載設(shè)備見(jiàn)圖2(a)。加熱燈管每根長(zhǎng)1.2 m,功率為1.2 k W,在軌道結(jié)構(gòu)上方布置燈管48根,距軌道板表面高度為0.2 m。燈管沿橋梁縱向分為8組,結(jié)構(gòu)中間跨全長(zhǎng)覆蓋,兩端向邊跨各伸出0.725 m。每組6根燈管沿橫橋向并排布置,間距為0.5 m。在每組燈管下的軌道板表面各布置一個(gè)溫度傳感器,并與溫控開(kāi)關(guān)相連接進(jìn)行板面溫度控制。為了提高溫度加載效率,節(jié)約能耗,縮短升溫時(shí)間,實(shí)現(xiàn)良好的升溫效果,使用能夠保溫隔熱并且耐高溫的錫箔紙與硅酸鋁纖維毯包裹燈架周圍,見(jiàn)圖2(b)。

考慮到夜間較低的自然環(huán)境溫度有利于結(jié)構(gòu)降溫,試驗(yàn)溫度加載從晚上18:00開(kāi)始,共分為升溫、控溫和降溫3個(gè)階段,通過(guò)調(diào)整加熱燈管的功率、數(shù)量及升溫空間的大小,控制升溫階段時(shí)間約為2 h,同時(shí)設(shè)定控溫階段持續(xù)2 h。預(yù)先設(shè)定溫控開(kāi)關(guān)中的溫度參數(shù)t1=59 ℃,t2=60 ℃。閉合電源開(kāi)關(guān),燈管對(duì)軌道結(jié)構(gòu)周圍環(huán)境進(jìn)行升溫,經(jīng)過(guò)約2 h的升溫階段后,當(dāng)板面溫度傳感器實(shí)測(cè)溫度t＞t2時(shí),溫控開(kāi)關(guān)自動(dòng)斷開(kāi),停止升溫。隨后溫度逐漸降低,而當(dāng)t＜t1時(shí),溫控開(kāi)關(guān)又自動(dòng)閉合進(jìn)行升溫,如此重復(fù)進(jìn)行,控制軌道板板面溫度保持在60 ℃,實(shí)現(xiàn)約2 h的控溫階段。最后斷開(kāi)電源開(kāi)關(guān),進(jìn)入降溫階段,試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)溫度加載見(jiàn)圖2(c)。

圖2 試驗(yàn)溫度加載裝置示意

1.3 測(cè)試內(nèi)容及方法

1.3.1 溫度測(cè)試

采用JMT-36B型溫度傳感器進(jìn)行溫度測(cè)量。JMT-36B型溫度傳感器利用半導(dǎo)體(PN 結(jié))的導(dǎo)電特性會(huì)隨溫度變化而呈現(xiàn)有規(guī)律的變化,將PN 結(jié)封裝為芯片形式,實(shí)現(xiàn)高精度、高可靠性和高穩(wěn)定性的溫度測(cè)量。由于兩條軌道線結(jié)構(gòu)形式和所承受的溫度荷載沿橫向完全對(duì)稱,因此僅選取其中一條線路布置溫度測(cè)點(diǎn)。在中間跨的梁端和跨中2個(gè)截面分別布置溫度測(cè)點(diǎn),每個(gè)截面沿橫向布置三列溫度測(cè)點(diǎn),沿豎向在每層結(jié)構(gòu)內(nèi)部布置上、中、下三層溫度測(cè)點(diǎn),溫度測(cè)點(diǎn)橫截面布置示意見(jiàn)圖3。采用JMZX-3001 綜合測(cè)試儀采集溫度數(shù)據(jù),試驗(yàn)溫度加載過(guò)程中,每隔3 min采集一次溫度數(shù)據(jù)。

圖3 軌道結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)布置示意(單位：mm)

1.3.2 應(yīng)變測(cè)試

在軌道結(jié)構(gòu)跨中、兩側(cè)四分點(diǎn)和梁端5個(gè)截面布設(shè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)。軌道結(jié)構(gòu)混凝土與CA砂漿應(yīng)變采用埋入式光纖光柵應(yīng)變傳感器進(jìn)行測(cè)量,在混凝土澆筑或CA砂漿灌注前預(yù)埋光纖光柵應(yīng)變傳感器,采用Moism130光線光柵解調(diào)儀進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與處理,應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖3。梁體應(yīng)變采用傳統(tǒng)電阻應(yīng)變片和DH3816靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)量與采集。

1.3.3 位移測(cè)試

采用5G10X 系列直線位移計(jì)和DH3820采集器進(jìn)行位移數(shù)據(jù)的測(cè)量與采集,主要包括溫度荷載下無(wú)砟軌道-橋梁結(jié)構(gòu)體系的整體上拱度和軌道系統(tǒng)層間相對(duì)位移。

對(duì)于結(jié)構(gòu)整體上拱度,在箱梁底部安裝位移計(jì)進(jìn)行測(cè)量。在兩側(cè)梁端、四分點(diǎn)及跨中5個(gè)截面布置位移測(cè)點(diǎn),每個(gè)截面沿橫橋向布置2個(gè)。軌道系統(tǒng)層間相對(duì)位移包括軌道板-CA砂漿、CA砂漿-底座板以及底座板-梁體之間的豎向和水平向相對(duì)位移。測(cè)量層間相對(duì)位移時(shí),將位移計(jì)通過(guò)剛墊板固定于其中一層軌道結(jié)構(gòu)上,位移計(jì)的頂桿與固定在另一層軌道結(jié)構(gòu)上的鋼墊板相接觸,采用耐高溫的隔熱材料硅酸鋁纖維毯將位移計(jì)包裹,層間相對(duì)位移計(jì)安裝見(jiàn)圖4。

圖4 層間相對(duì)位移計(jì)安裝

1.4 溫度實(shí)驗(yàn)前后靜力加載

溫度試驗(yàn)前后分別對(duì)中間一跨無(wú)砟軌道-橋梁結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行三分點(diǎn)靜力加載試驗(yàn),研究溫度試驗(yàn)前后結(jié)構(gòu)體系受力性能的變化。靜力荷載的取值按雙線列車荷載考慮,即在豎向靜力荷載作用下,模型結(jié)構(gòu)跨中邊緣處混凝土的應(yīng)力與原型結(jié)構(gòu)在雙線列車荷載作用下跨中邊緣處混凝土的應(yīng)力相等,荷載取900 k N。靜力加載試驗(yàn)在跨中采用一個(gè)加載頭,通過(guò)分配梁將荷載均分至2個(gè)三分點(diǎn)截面,見(jiàn)圖5。靜力加載分級(jí)進(jìn)行,每級(jí)荷載100 k N,除不測(cè)溫度外,測(cè)試內(nèi)容與測(cè)試方法均與溫度試驗(yàn)相同。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 離縫產(chǎn)生與擴(kuò)展規(guī)律

圖5 靜力加載示意

整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,實(shí)測(cè)離縫長(zhǎng)度隨溫度荷載作用次數(shù)呈“階梯狀”變化規(guī)律,見(jiàn)圖6。離縫的產(chǎn)生過(guò)程歷經(jīng)萌生、擴(kuò)展和穩(wěn)定三個(gè)階段。1～6次試驗(yàn)為離縫的萌生階段,第6次溫度試驗(yàn)完成時(shí),靠近剪力齒槽側(cè)梁端處軌道板與CA砂漿之間首次觀測(cè)到層間離縫,離縫長(zhǎng)度340 mm,占單塊軌道板長(zhǎng)度的21.3%,離縫最大寬度約為0.5 mm。7～12次試驗(yàn)為離縫的擴(kuò)展階段,隨溫度荷載作用次數(shù)的增加,離縫逐漸向中跨跨中方向延伸,第12次溫度試驗(yàn)完成時(shí),靠近剪力齒槽側(cè)梁端處整塊軌道板與CA砂漿完全脫空,即離縫長(zhǎng)度等于單塊軌道板的長(zhǎng)度,為1 600 mm。13～18次試驗(yàn)為離縫的穩(wěn)定階段,此階段,舊離縫均沒(méi)有繼續(xù)擴(kuò)展,也無(wú)新離縫生成。層間離縫見(jiàn)圖7。

圖6 離縫長(zhǎng)度隨溫度荷載作用次數(shù)的變化曲線

圖7 梁端處軌道板-CA砂漿層間離縫

在18次溫度循環(huán)加載過(guò)程中,沿橋梁縱向,離縫僅出現(xiàn)在靠近剪力齒槽側(cè)梁端處的第1塊軌道板中,跨中和遠(yuǎn)離剪力齒槽側(cè)梁端均沒(méi)有離縫出現(xiàn)。說(shuō)明在溫度荷載作用下,剪力齒槽對(duì)軌道結(jié)構(gòu)自由變形的約束作用是產(chǎn)生層間離縫的重要原因之一。受施工工藝的影響,CA砂漿層與底座板之間的界面黏結(jié)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于CA砂漿與軌道板之間的黏結(jié)強(qiáng)度,因而沿豎向,界面離縫主要產(chǎn)生于CA砂漿與軌道板之間,CA砂漿與底座板之間始終黏結(jié)完好,無(wú)層間離縫出現(xiàn)。

2.2 軌道-橋梁結(jié)構(gòu)上拱度

在不同溫度荷載作用次數(shù)下,實(shí)測(cè)梁體跨中上拱度隨軌道板頂面溫度的變化規(guī)律見(jiàn)圖8(a)。溫度荷載循環(huán)加載下,溫度-上拱度曲線逐漸向上拱度減小的方向“偏移”,離縫的萌生階段(0～6次)和穩(wěn)定階段(12～18次),曲線分布密集,離縫的擴(kuò)展階段(6～12次),曲線分布較為稀疏。

圖8 梁體跨中上拱度與軌道板頂面溫度、溫度荷載作用次數(shù)的變化曲線

在不同溫度荷載作用下,梁體跨中上拱度隨溫度荷載作用次數(shù)的變化曲線見(jiàn)圖8(b)。由圖8(b)可知,隨溫度荷載作用次數(shù)的增加,相同溫度荷載下,梁體跨中上拱度逐漸減小。離縫的萌生階段和穩(wěn)定階段,上拱度減小緩慢,離縫的擴(kuò)展階段,上拱度減小的速度較快,變化規(guī)律呈“階梯狀”,與離縫長(zhǎng)度變化規(guī)律相似。

由分析可知,層間離縫的產(chǎn)生是梁體上拱度隨溫度荷載循環(huán)作用而逐漸減小的主要原因。給軌道結(jié)構(gòu)施加溫度荷載時(shí),軌道板距離熱源最近,承受的溫度荷載最大,離縫產(chǎn)生前,荷載效應(yīng)通過(guò)層間黏結(jié)逐層向下傳遞,軌道-橋梁結(jié)構(gòu)體系協(xié)同變形,同步上拱。層間離縫的產(chǎn)生,使得軌道板與CA砂漿界面黏結(jié)強(qiáng)度逐漸降低甚至消失。因此,向下傳遞的荷載效應(yīng)逐漸減小,梁體上拱度隨之減小,且上拱度的減小速率與離縫長(zhǎng)度的增大速率基本保持一致。

2.3 軌道結(jié)構(gòu)層間相對(duì)位移

跨中處無(wú)砟軌道-梁體豎向相對(duì)位移變化曲線見(jiàn)圖9。在不同溫度荷載作用次數(shù)下,梁體跨中豎向位移隨軌道板頂面溫度的變化規(guī)律見(jiàn)圖9(a)。由圖9(a)可知,溫度荷載作用下,軌道結(jié)構(gòu)位移與軌道板頂面溫度呈線性關(guān)系,隨溫度荷載作用次數(shù)的增加,溫度-相對(duì)位移曲線逐漸向位移增大的方向“偏移”,曲線斜率逐漸減小。離縫萌生和穩(wěn)定階段,相鄰曲線間距較小,離縫擴(kuò)展階段,相鄰曲線之間的間距較大。

圖9 跨中處無(wú)砟軌道-梁體豎向相對(duì)位移與軌道板頂面溫度、溫度荷載作用次數(shù)的變化曲線

在不同軌道板頂面溫度下,跨中處軌道結(jié)構(gòu)-梁體豎向相對(duì)位移與溫度荷載作用次數(shù)的變化曲線見(jiàn)圖9(b)。由圖9(b)可知,隨溫度荷載作用次數(shù)增加,相同溫度產(chǎn)生的相對(duì)位移逐漸增大,離縫經(jīng)過(guò)萌生-擴(kuò)展-穩(wěn)定3個(gè)階段過(guò)程中,位移增大速率也呈現(xiàn)慢-快-慢的變化規(guī)律。以軌道板升溫30℃為例,第1次試驗(yàn)時(shí),軌道結(jié)構(gòu)相對(duì)位移為1.08 mm,第18次試驗(yàn)時(shí),軌道結(jié)構(gòu)相對(duì)位移為1.27 mm,增大了17.59%。

相同荷載作用時(shí),軌道結(jié)構(gòu)的位移與其自身剛度成反比,位移隨溫度荷載循環(huán)作用而逐漸增大,說(shuō)明軌道結(jié)構(gòu)的剛度隨之逐漸減小。由以上分析可知,試驗(yàn)過(guò)程中,軌道結(jié)構(gòu)的剛度在離縫的萌生-擴(kuò)展-穩(wěn)定3個(gè)階段呈現(xiàn)慢-塊-慢的規(guī)律逐漸減小。軌道結(jié)構(gòu)試驗(yàn)前后剛度為

式中:K1、K2分別為溫度試驗(yàn)前后結(jié)構(gòu)剛度;P為試驗(yàn)前后相同的荷載;δ1、δ2分別為第1、18次試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)位移;ΔK為溫度試驗(yàn)前后剛度降低率。

以軌道板頂面升溫30 ℃為例,由式(2)可知,經(jīng)過(guò)18次溫度循環(huán)加載,軌道結(jié)構(gòu)剛度降低了14.96%。

2.4 靜力試驗(yàn)結(jié)果及分析

靜力荷載作用下無(wú)砟軌道-橋梁結(jié)構(gòu)體系的荷載與撓度曲線見(jiàn)圖10。靜力加載過(guò)程中,模型結(jié)構(gòu)始終處于彈性階段,荷載與撓度呈線性關(guān)系,荷載-撓度曲線的斜率即為結(jié)構(gòu)產(chǎn)生單位位移所需要施加的荷載,可表征結(jié)構(gòu)剛度。由圖10可知,在相同荷載作用下,溫度試驗(yàn)后梁體的撓度稍大于溫度試驗(yàn)前。說(shuō)明經(jīng)過(guò)18次循環(huán)溫度加載試驗(yàn)后,軌道-橋梁結(jié)構(gòu)體系的剛度降低為2.52%,降低幅度較小。

圖10 無(wú)砟軌道-橋梁結(jié)構(gòu)體系荷載與撓度曲線

溫度試驗(yàn)前后兩次靜力加載軌道板、CA砂漿和底座板的荷載與應(yīng)變曲線見(jiàn)圖11。由圖11可知,在相同豎向荷載作用下,相比于初始狀態(tài),循環(huán)溫度試驗(yàn)后,軌道結(jié)構(gòu)各層應(yīng)變均有所增大,軌道板、CA砂漿和底座板的應(yīng)變分別增大了13.18%、11.58%、14.02%。進(jìn)一步說(shuō)明循環(huán)溫度試驗(yàn)所產(chǎn)生的離縫改變了結(jié)構(gòu)的受力特征,降低了結(jié)構(gòu)的剛度。

圖11 溫度試驗(yàn)前后兩次靜載軌道結(jié)構(gòu)荷載與應(yīng)變曲線

以軌道板、CA砂漿、底座板各層荷載-應(yīng)變曲線的斜率分別表征其各自的剛度;以溫度-軌道結(jié)構(gòu)與梁體相對(duì)位移曲線的斜率表征軌道結(jié)構(gòu)的剛度;以軌道-橋梁結(jié)構(gòu)體系的荷載-撓度曲線斜率表征軌道-橋梁結(jié)構(gòu)體系的剛度,將溫度試驗(yàn)前后各層結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)體系整體的剛度變化見(jiàn)表1。由表1可知,18次循環(huán)溫度試驗(yàn)對(duì)軌道結(jié)構(gòu)(軌道板、CA砂漿和底座板)剛度的影響較大,剛度退化率在10%～15%之間,對(duì)無(wú)砟軌道-橋梁結(jié)構(gòu)體系整體剛度的影響相對(duì)較小,剛度退化率為2.52%。

表1 溫度實(shí)驗(yàn)前后結(jié)構(gòu)剛度變化

3 結(jié)論

本文以高速鐵路32 m 標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)支梁橋上鋪CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)體系為原型,制作三跨無(wú)砟軌道-簡(jiǎn)支梁橋結(jié)構(gòu)體系的1/4縮尺模型進(jìn)行了循環(huán)溫度加載試驗(yàn),以研究溫度荷載循環(huán)加載對(duì)結(jié)構(gòu)受力性能的影響,得出了以下結(jié)論:

(1)溫度荷載作用下,固定端處剪力齒槽的約束作用使軌道結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力,因而軌道板與CA砂漿層間離縫從剪力齒槽處開(kāi)始出現(xiàn),并逐漸向中跨跨中方向延伸。離縫長(zhǎng)度隨溫度荷載作用次數(shù)的變化規(guī)律呈“階梯狀”,歷經(jīng)萌生、擴(kuò)展和穩(wěn)定3個(gè)階段。

(2)層間離縫的產(chǎn)生使軌道結(jié)構(gòu)層間黏結(jié)作用逐漸減弱,軌道結(jié)構(gòu)由上層通過(guò)界面黏結(jié)力向下傳遞的荷載逐漸減小。最終導(dǎo)致隨溫度循環(huán)試驗(yàn)次數(shù)的增加,相同溫度荷載下,梁體上拱度逐漸減小,而軌道結(jié)構(gòu)上拱度逐漸增大。且在離縫的萌生-擴(kuò)展-穩(wěn)定三個(gè)階段,位移減小或增大的速度均近似呈現(xiàn)慢-快-慢的“階梯狀”變化規(guī)律。

(3)循環(huán)溫度加載過(guò)程中,結(jié)構(gòu)的剛度逐漸下降,且剛度下降幅度與離縫的延伸長(zhǎng)度基本同步。經(jīng)過(guò)18次循環(huán)溫度荷載試驗(yàn)后,軌道結(jié)構(gòu)剛度降低相對(duì)較為顯著,為14.96%;無(wú)砟軌道-橋梁結(jié)構(gòu)體系整體剛度降低相對(duì)較小,為2.52%。